摘要：中国和美国已研制出多种推移质采样器，用以在变化范围很大的水流、泥沙条件下采样。由于采样器的设计原理不同和缺乏现场比测资料，这些采样器采样结果的可比性不明确。本文给出了五种采样器的输沙率及其它性能的现场比测结果。这五种采样器包括美国地质调查局设计的刚性框架的赫尔 斯密斯采样器(以下称HS-1型)和它的加大型(以下称HS-1a型)、沱特尔河TR-2型采样器以及中国长江水利委员会(长江委)研制的Y78-1型刚性框架采样器和Y80-2型软底网式采样器。
关键词：推移质 采样器 试验
1 参加比测的推移质采样器
1.1 Y78-1型沙推移质采样器
Y78-1型采样器是中国长江委研制的压差式推移质采样器[6，4]，用来对流速2.5m/s条件下的沙推移质进行采样。在采样器口门下面有一护板，以防止口门附近的河床被淘刷。采样器由一个带有垂直尾翼的、用铅块加重的框架加以悬置。
1.2 Y80-2型软底网式推移质采样器
Y80-2型软底网式推移质采样器[4]是中国长江委研制的，用以对流速小于4.0m/s条件下的砾卵石推移质进行采样。它具有链网式的软底、筛网孔径为5mm，软底上铺设一层网眼孔径为1mm的尼龙布，整个设计可使采样器底紧贴河床。
1.3 HS型压差式推移质采样器
HS-1型压差式推移质采样器[3]，系美国地质调查局研制，用以对粗沙和中等粒度的砾石推移质进行采样。它具有刚性框架和尼龙网眼布制成的样品收集袋。HS-1a型采样器由HS-1型采样器等比加大1倍而成[1]。两种采样器水槽试验测定的采样效率均大于100%，但适用的级配和输沙率则有所不同。HS-1型采样器经室外试验测定的采样效率在90～100%之间[2]。
1.4 TR-2型压差式推移质采样器
TR-2型压差式推移质采样器是美国地质调查局1986年在拉斯维拉斯火山观测所研制，用以对高能水流中富含泥沙的砾石粒度的推移质进行采样，它具有刚性框架、尼龙网布制成的样品收集袋和大的尾翼。TR-2采样器的口门段同HS-1a[5]，后者经水槽试验测定其采样效率，效率随粒配和输沙率不同而有所不同;但对砾石粒度而言，其采样效率接近100%。本研究中的五种推移质采样器的特性见表1。
表1 五种推移质采样器的特性表
Characteristics of bed load samplers tested in the program
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进口尺寸(mm) |
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水槽率定量 |
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型号 |
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进出口面积比 |
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采样器重量 |
样品有效容量 |
推移质粒径 | ||
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宽度 |
高度 |
(%) |
水力效率 |
采样效率 |
(kg) |
(kg) |
(mm) |
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HS-1 |
76.2 |
76.2 |
322 |
154 |
变动 |
27 |
10 |
1-16 |
|
HS-1a |
152.4 |
152.4 |
322 |
154 |
变动 |
100 |
20 |
1-32 |
|
TR-2 |
304.8 |
152.4 |
140 |
140 |
变动 |
300 |
50 |
1-64 |
|
Y78-1 |
100 |
100 |
140 |
105 |
61.4 |
100 |
16 |
&<2.0 |
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Y80-2 |
300 |
300 |
- |
92 |
53 |
200 |
50 |
5～12 |
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2 现场采样技术和方法
2.1 中国的比测
Y78-1型和HS-1型采样器的野外比测试验在汉江丹江口水库下游约100km的襄阳水文站进行。在测量船两侧各安装两台绞车，其中一台绞车悬吊流速仪，其余三台悬吊推移质采样器。比测的两个采样器首先分别悬吊在三台绞车的第1、2两台上同时连续采取5个推移质泥沙样品。然后将采样器悬吊在第2、3两台绞车上，再同时连续采取5个样品，再悬吊在第3、1台绞车上，同时连续取5个样品。以上每个采样器的15个样品为一组，总共取得45组比测资料。Y80-2型与TR-2及HS-1a型采样器的野外比测在长江的寸滩和奉节两个水文测站进行。在测船两侧各安装一台绞车分别悬吊比测的两个采样器，在各自连续测取15个样品后交换仪器的位置再测取15个样品，每个采样器30个样品，为一组。Y80-2与TR-2型采样器比测取得33组，Y80-2与HS-1a型采样器比测取得20组资料。当水深小于10m时，两采样器同步采样，水深大于10m时交替采样，以防止悬吊绳在水下交叉。试验水深最大15m，流速最大为3.85m/s，推移质粒径为1～150mm。试验时未使用拉偏绳。
2.2 美国的比测
Y78-1型和HS-1型采样器的野外比测在距华盛顿州圣海伦火山约90km的沱沱河和93km的考里兹河进行。试验用两台安装在汽车上的起重机从桥上进行。每次都使用拉偏绳来稳定采样器。两台采样器在河床同一地点上交替采样，获得数据。共进行9次野外试验，每次3～6小时，收集40～60个样品。HS-1型的承样袋网孔尺寸前7次为1mm，后2次为0.25mm。试验水深为0.7～1.5m，垂线平均流速0.95～2.17m/s，床沙由细沙到中等砾度的砾石组成。在上两试验点的试验过程中，通常河床上存在着发育完好的运动沙丘。Y78-2、TR-2、HS-1a型采样器的比测试验未在美国进行。
3 比测资料分析
3.1 Y78-1型和HS-1型采样器
在中国收集到的数据资料，分析仅限于大于HS-1采样器承沙袋网孔径0.25mm的泥沙。在45个数据组中，两采样器的采样比(Y78-1测得的输沙率除HS-1测得的输沙率)在0.4～2.8之间，其中80%的比测组在0.5～2.2之间，平均为1.2。两个采样器测得的粒径组成相同，其中0.25～0.50mm的HS-1测得的占76%，Y78-1测得的占79%。
在美国收集到的数据资料，分析包括全部粒径级。在9个数据组中，两采样器的采样比为2.3～6.3之间，平均值为3.0(表2)。HS-1型测得的中等粒径为0.34～1.40mm，而Y78-1测得的为0.27～0.66mm。大于1.0 mm的采样比为5.6。
表2 HS-1型和Y78-1型采样器的平均采样比
Mean sampling ratios between the SH-1 and Y-78-1 samplers
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粒径级(mm) |
&<0.25 |
0.250～0.500 |
0.500 |
1.00～2.00 |
2.00～4.00 |
4.00～8.00 |
8.00～16.00 |
16.00～32.00 |
32.00～64.00 |
全部平均 |
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采样比η |
1.06 |
1.86 |
3.64 |
7.91 |
7.41 |
6.32 |
4.29 |
3.01 |
1.79 |
3.02 |
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注：η= HS-1型与Y78-1型采样器的采样比 | ||||||||||
3.2 Y80-2型、HS-1a型和TR-2型采样器
在中国测取的资料，三种采样器最小粒径都为1.0mm，组平均输沙率在0.17～806kg/s·m之间。分粒径组的平均采样比列于表3。
表3 各对采样器分粒级平均采样比
Sampling ratios by sediment size class between pairs of samplers
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粒级 |
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采样器比测对 |
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全部样品 | |||||||
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1.0～2.0 |
2.0～5.0 |
5.0～10.0 |
10.0～20.0 |
20.0～50.0 |
50.0～75.0 |
75.0～100 |
100～150 |
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TR2/Y80-2 |
2.99 |
3.01 |
2.22 |
2.35 |
3.00 |
2.06 |
2.15 |
1.81 |
2.17 |
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HS-1a/Y80-2 |
4.15 |
7.58 |
4.22 |
4.17 |
5.85 |
4.07 |
3.75 |
2.18 |
4.35 |
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4 讨论
4.1 Y78-1型和HS-1型采样器
用Y78-1型的采样率除HS-1型的采样率得到的采样比在两个国家的试验结果不同，部分原因可能是美国的采样器的采样效率的可变性所致。这些采样效率似乎随流速、输沙率和粒径级配不同而变化。在美国试验过程中的流速平均约为在中国的两倍，在中国测取的推移质主要由细沙组成，而在美国主要由粗沙和细粒砾石组成。
在美国，HS-1型测取的泥沙，在所有粒级中都比Y78-1型测的多。对粒径小于2.0mm的部分，采样比随粒径减小而降低，大于2.0mm部分，也随粒径的增大而降低。这可能是HS-1型对小粒径通过承沙袋网眼流失的较多;而对大粒径，HS-1较高的水力效率(154%)的影响相对减小的缘故。Y78-1型的水力效率为105%，并且有防护板，可以大幅度地减少口门附近的河床冲刷。 这些特点使得Y78-1型能够比HS-1型较为准确采样，然而，Y78-1的防护板也可能抬高采样器的进口，使大颗粒泥沙更难进入采样器。
4.2 Y80-2型、HS-1a型、TR-2型采样器
Y80-2型、HS-1a型、TR-2型采样器的两组野外比测结果表明，采样比通常随粒径增大而减小，这说明HS-1a、TR-2型的较高水力效率对较大颗粒的影响可能减小了。此外，Y80-2型与HS-1a型的采样比大于Y80-2型与TR-2型的采样比，也很可能是HS-1a型的水力效率高于TR-2型采样器的缘故。
5 结论
推移质输沙率的准确计算需要推移质采样器采样效率的合理估计。由于各种采样器的采样效率不同，使之测得的输沙率也有很大的非偶然性的差别。采样效率可能是许多参数的函数，这些参数包括流速、推移质颗粒级配和输沙率。
野外试验结果表明，Y78-1型和HS-1型可以相互弥补。建议Y78-1型用于粒径小于2mm的沙质河床中采样，而HS-1型则用来在粒径约为1～16mm的粗沙河床中采样。
Y80-2型采样器看来能在砾石卵石河床中很好地工作，其可塑变的软底可使采样器较好地与河床伏贴，所采取的推移质粒径范围是从底网孔径到卵石粒度。和HS-1a型相比，TR-2型在湍流和高速流动的水流情况下较为稳定。
在试验过程中观察到一些与采样器设计有关的缺点。Y78-1型口门下面的护板可能使采样器在河床有砾石的地点不能很好伏贴河床。HS-1型和HS-1a型的高水力效率可能造成沙质河床的水力淘刷、导致采样偏多。TR-2型的刚性器底可能使它不能与卵石占优势的河床很好伏贴，导致采样偏少。Y80-2敞口顶端可能使较小砾石在采样器向水面高速提升时，从采样器中冲出来，导致采样偏少。
这些观察结果对下列想法提供了理论依据:推移质采样器必须按照它们的使用条件来设计。使用拉偏绳来稳定采样器，可减少采样器在采样过程中对河床的挖取，从而减小误差。
参 考 文 献
[1] Druffel，L.，Emmett，W.W.，Schneider，V.R.，and Skinner， J.V.，1976，Laboratory hydraulic calibration the Helley-Smith bed load sampler : U.S. Geological Survey Open-File Report 76-752，63 P.
[2] Emmett，W.W.，1980，A Field calibration of the sediment trapping characteristics of the Helley-Smith Bed Load Sampler : U.S. Geological Survey professional paper 1139，44P.
[3] Helley，E.J. and Smith，Winchell， 1971，Development and calibration of a pressure-difference bed load sampler : U.S. Geological Survey Open-File，18P.
[4] 黄光华，高焕锦，王玉成。长江推移质器测法研究。第二次河流泥沙国际学术讨论会文集P1008～1016南京：1983年。
[5] Hubbell，D.W.，Stevens，H.H.，Skinner，J.V.，and Beverage，J.P.，1987，Laboratory data on coarse-sediment transport for bed load sampler calibrations : U。S. Geological Survey Water-Supply paper 2299，31 P.
[6] Zhou Dejia，Liu Daorong， and Gao Haochuan，1981，The development of a sand bedload sampler for the Yangtze River :Symposium of Erosion and Sediment Transport Measurement ，International Association of Hydrological Sciences ，Florence ，P 35-46.